JP2007227212A - Fuel cell scavenging method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを供給して発電をする燃料電池の掃気方法に関するものである。 The present invention relates to a scavenging method for a fuel cell that generates power by supplying a fuel gas and an oxidant gas.
一般に、燃料電池では、低温環境下での発電停止期間中に燃料電池内で水が凍結して次の発電時の発電性能が低下するのを防止するために、発電停止時に燃料電池内の燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路に掃気ガスを流通して掃気し、これらガス流通路内に残留する水分を排出している。
従来の掃気方法は、燃料電池の停止時に掃気ガスとしての酸化剤ガスを、燃料電池内の燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路の両方に同時に流通させていた(例えば、特許文献1参照)。
In the conventional scavenging method, the oxidant gas as the scavenging gas is simultaneously circulated through both the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path in the fuel cell when the fuel cell is stopped (see, for example, Patent Document 1). .
しかしながら、従来の掃気方法では、固体高分子電解質膜内に存在する水分も除去しようとすると、燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路に同時に大量の掃気ガスを流通させなければならず、そのためには、大型のコンプレッサが必要になって、システムの大型化、コストアップを招く。
一方、コンプレッサの容量を大きくしないで燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路に同時に掃気ガスを流通させると、各ガス流路に流れる掃気ガス流量を十分に大きくできなくなるため、固体高分子電解質膜内に存在する水分も除去しようとすると、掃気時間を長くしなければならず、電力消費が多くなってしまう。
そこで、この発明は、効率的且つ迅速に燃料電池内の水分を除去することができる燃料電池の掃気方法を提供するものである。
However, in the conventional scavenging method, in order to remove the water present in the solid polymer electrolyte membrane, a large amount of scavenging gas must be circulated through the fuel gas flow passage and the oxidant gas flow passage at the same time. Requires a large compressor, which leads to an increase in system size and cost.
On the other hand, if the scavenging gas is circulated through the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path simultaneously without increasing the capacity of the compressor, the flow rate of the scavenging gas flowing through each gas flow path cannot be increased sufficiently. In order to remove the water present in the inside, the scavenging time must be lengthened, resulting in an increase in power consumption.
Accordingly, the present invention provides a scavenging method for a fuel cell that can efficiently and quickly remove moisture in the fuel cell.
この発明に係る燃料電池の掃気方法は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項1に係る発明は、燃料電池(例えば、後述する実施例における燃料電池1)の発電停止時に前記燃料電池の燃料ガス流通路(例えば、後述する実施例における燃料ガス流通路5)と酸化剤ガス流通路(例えば、後述する実施例における酸化剤ガス流通路6)に掃気ガスを流通させてこれらガス流通路を掃気する燃料電池の掃気方法であって、前記燃料ガス流通路と前記酸化剤ガス流通路のいずれか一方のガス流通路に前記燃料電池の発電停止前に供給していたガスの圧力よりも高圧の掃気ガスを流通して該一方のガス流通路を掃気する第1の掃気を行った後、他方のガス流通路に掃気ガスを流通して該他方のガス流通路を掃気する第2の掃気を行うことを特徴とする燃料電池の掃気方法である。
The scavenging method for a fuel cell according to the present invention employs the following means in order to solve the above problems.
The invention according to claim 1 oxidizes the fuel gas flow passage (for example, the fuel
燃料電池の固体高分子電解質膜内の水分は、アノードとカソードの水蒸気分圧差に基づき、水蒸気分圧の高い方から低い方へと移動し、水蒸気分圧差が大きいほど移動し易い性質を有している。
請求項1に係る発明では、第1の掃気を実施することによって、一方のガス流通路を掃気することができるとともに、該一方のガス流通路内の水蒸気分圧を高くすることができる。その結果、第1の掃気によって、固体高分子電解質膜のアノードとカソードの間の水蒸気分圧差を大きくすることができ、固体高分子電解質膜内の水分が他方のガス流通路側へ移動するのを促進することができる。この後、第2の掃気を実施することによって、他方のガス流通路を掃気するとともに、前記第1の掃気で前記他方のガス流通路側に移動させておいた固体高分子電解質膜内の水分を前記他方のガス流通路に導出して排出することができる。したがって、燃料ガス流通路、酸化剤ガス流通路、および固体高分子電解質膜内の水分を効率よく迅速に排出することができる。
Moisture in the solid polymer electrolyte membrane of a fuel cell moves from a higher water vapor partial pressure to a lower water vapor based on the water vapor partial pressure difference between the anode and cathode. ing.
In the invention according to claim 1, by performing the first scavenging, it is possible to scavenge one of the gas flow passages and increase the water vapor partial pressure in the one gas flow passage. As a result, the first scavenging can increase the water vapor partial pressure difference between the anode and the cathode of the solid polymer electrolyte membrane, and the moisture in the solid polymer electrolyte membrane moves to the other gas flow path side. Can be promoted. Thereafter, by performing the second scavenging, the other gas flow passage is scavenged, and moisture in the solid polymer electrolyte membrane that has been moved to the other gas flow passage by the first scavenging is removed. It can be led out to the other gas flow passage and discharged. Therefore, the water in the fuel gas flow path, the oxidant gas flow path, and the solid polymer electrolyte membrane can be discharged efficiently and quickly.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の発明において、前記第1の掃気では、前記燃料電池の停止前の燃料電池の内部温度よりも高温の掃気ガスを前記一方のガス流通路に供給することを特徴とする。
このように構成することにより、前記一方のガス流通路内の水蒸気分圧をさらに高くすることができるので、固体高分子電解質膜のアノードとカソードの間の水蒸気分圧差をさらに大きくすることができ、固体高分子電解質膜内における水分の移動をさらに促進することができる。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, in the first scavenging, scavenging gas having a temperature higher than the internal temperature of the fuel cell before stopping the fuel cell is supplied to the one gas flow passage. It is characterized by supplying.
With this configuration, since the water vapor partial pressure in the one gas flow passage can be further increased, the water vapor partial pressure difference between the anode and the cathode of the solid polymer electrolyte membrane can be further increased. Further, the movement of moisture in the solid polymer electrolyte membrane can be further promoted.
請求項1に係る発明によれば、固体高分子電解質膜内の水分の移動を促進することができるので、掃気ガスの流量を特別に増大させなくても、燃料電池内の水分を効率よく迅速に排出することができ、掃気処理に要する時間を短縮することができる。
請求項2に係る発明によれば、固体高分子電解質膜内の水分の移動をさらに促進することができ、排水性がさらに向上する。
According to the first aspect of the present invention, since the movement of moisture in the solid polymer electrolyte membrane can be promoted, the moisture in the fuel cell can be efficiently and quickly removed without particularly increasing the flow rate of the scavenging gas. The time required for the scavenging process can be shortened.
According to the invention which concerns on
以下、この発明に係る燃料電池の掃気方法の実施例を図1から図3の図面を参照して説明する。
図1は、この発明に係る燃料電池の掃気方法を実施可能な燃料電池システムの一例を示す概略構成図であり、この実施例では燃料電池車両に搭載されている。
Embodiments of a scavenging method for a fuel cell according to the present invention will be described below with reference to the drawings of FIGS.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of a fuel cell system capable of implementing a fuel cell scavenging method according to the present invention. In this embodiment, the fuel cell system is mounted on a fuel cell vehicle.
燃料電池1は、反応ガスを化学反応させて電力を得るタイプのもので、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜2をアノード3とカソード4とで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されており(図1では単セルのみを示す)、アノード3側の燃料ガス流通路5に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード4側の酸化剤ガス流通路6に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノード3で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜2を通過してカソード4まで移動して、カソード4で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜2を透過してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。
The fuel cell 1 is of a type that obtains electric power by chemically reacting a reaction gas. For example, the fuel cell 1 is formed by sandwiching a solid
空気はスーパーチャージャーなどのコンプレッサ7により所定圧力に加圧され、空気供給流路8を通って燃料電池1の酸化剤ガス流通路6に供給される。空気供給流路8は、冷却装置11と、この冷却装置11を迂回して空気を流通させるバイパス通路12と、三方弁型の流路切替弁13とを備え、コンプレッサ7で昇圧された空気を、冷却装置11を流通させるか、あるいはバイパス通路12を流通させるかを、流路切替弁13によって切り換え可能になっている。燃料電池1に供給された空気は発電に供された後、燃料電池1からカソード側の生成水と共に空気排出流路9に排出され、圧力制御弁10を介して図示しない排気処理装置へ排出される。
The air is pressurized to a predetermined pressure by a compressor 7 such as a supercharger and supplied to the oxidant
一方、水素タンク15から供給される水素ガスは水素ガス供給流路17、遮断弁20を流通し、レギュレータ16によって所定圧力に減圧され、エゼクタ19を通って燃料電池1の燃料ガス流通路5に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素ガスは、燃料電池1からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス流路18を通ってエゼクタ19に吸引され、水素タンク15から供給される新鮮な水素ガスと合流し再び燃料電池1の燃料ガス流通路5に供給される。すなわち、燃料電池1から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス流路18、およびエゼクタ19よりも下流の水素ガス供給流路17を通って、燃料電池1を循環する。
On the other hand, the hydrogen gas supplied from the
アノードオフガス流路18からは、排出弁21を備えたアノードオフガス排出流路22が分岐している。排気弁21は、燃料電池1を循環する水素ガス中の不純物(水分や窒素等)の濃度が高くなったときなど必要に応じて開いてアノードオフガスを排出する。排出弁21から排出されたアノードオフガスは前記排気処理装置へ排出され、排気処理装置においてアノードオフガスはカソードオフガスによって希釈される。
冷却装置11およびバイパス通路12よりも下流の空気供給流路8と、エゼクタ19よりも下流の水素ガス供給流路17は、第1掃気弁23を備えた掃気流路24によって接続されている。
圧力制御弁10よりも上流の空気排出流路9と、排出弁21よりも上流のアノードオフガス排出流路22は、第2掃気弁25を備えた掃気流路26によって接続されている。
An anode off-
The
The air discharge passage 9 upstream of the
この燃料電池システムでは、発電停止時に燃料電池1内の燃料ガス流通路5と酸化剤ガス流通路6に掃気ガス(空気)を流通して掃気し、これらガス流通路5,6内に残留する水分を排出して、低温環境下での凍結等による発電性能の低下を防止する。
特に、この燃料電池システムにおける掃気処理では、初めに、発電停止前に燃料電池1に酸化剤ガスとして供給していた空気よりも高温・高圧の空気を掃気ガスとして酸化剤ガス流通路6に流通させて酸化剤ガス流通路6の掃気を行い(以下、第1の掃気という)、その後、燃料ガス流通路5に掃気ガスとしての空気を流通させて燃料ガス流通路5の掃気を行う(以下、第2の掃気という)。
In this fuel cell system, when power generation is stopped, scavenging gas (air) is circulated through the fuel
In particular, in the scavenging process in this fuel cell system, first, air having a higher temperature and pressure than the air supplied to the fuel cell 1 as the oxidant gas before power generation stop is circulated through the oxidant
図2は掃気の原理を説明する模式図である。図2(A)は発電停止時(掃気前)の水分分布を示しており、燃料ガス流通路5、酸化剤ガス流通路6、固体高分子電解質膜2に水分が存在していて、特に固体高分子電解質膜2内には水分が分散して存在している。
図2(B)は第1の掃気の初期段階を示し、図2(C)は第1の掃気の終期段階を示しており、高温・高圧の掃気ガス(空気)を酸化剤ガス流通路6に流すと、酸化剤ガス流通路6内の水分が系外に排出されるとともに、固体高分子電解質膜2内に存在する水分がアノード3側に移動せしめられる。
図2(D)は第2の掃気のときを示しており、固体高分子電解質膜2のアノード3側に移動した水分が燃料ガス流通路5に導出され、燃料ガス流通路5内の水分とともに系外に排出される。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the principle of scavenging. FIG. 2 (A) shows the moisture distribution when power generation is stopped (before scavenging), and moisture is present in the fuel
FIG. 2B shows the initial stage of the first scavenging, and FIG. 2C shows the final stage of the first scavenging. The scavenging gas (air) of high temperature and high pressure is passed through the oxidant
FIG. 2D shows the time of the second scavenging, and the moisture that has moved to the
第1の掃気により固体高分子電解質膜2内に存在する水分がアノード3側に移動する原理を詳しく説明する。
燃料電池1の固体高分子電解質膜2内の水分は、アノード3とカソード4の水蒸気分圧差に基づき、水蒸気分圧の高い方から低い方へと移動し、水蒸気分圧差が大きいほど移動し易い性質を有している。
水蒸気は気体であるので、圧縮・膨張などを行った際に、気相の全圧に対する水蒸気分圧の分圧比は一定に保たれる(水蒸気分圧/全圧=一定)。つまり、飽和蒸気圧以下の領域においては、全圧を2倍にすれば水蒸気分圧も2倍になる。
The principle that the moisture present in the solid
The water in the solid
Since water vapor is a gas, the partial pressure ratio of the water vapor partial pressure to the gas phase total pressure is kept constant when compression or expansion is performed (water vapor partial pressure / total pressure = constant). That is, in the region below the saturated vapor pressure, if the total pressure is doubled, the water vapor partial pressure is also doubled.
いま、大気圧P(kPa)下で水蒸気分圧W(kPa)の水蒸気を含む空気を燃料電池の一方の極のガス通路(この実施例では酸化剤ガス流通路6)に供給するとする。他方の極のガス通路(この実施例では燃料ガス流通路5)内の水蒸気分圧をY(kPa)とすると、前記一方のガス通路に供給する空気の圧力が大気圧P(kPa)と等しい場合には、固体高分子電解質膜2の両極(アノード3とカソード4)間の蒸気圧差ΔP(kPa)は、ΔP=W−Yとなる。
これに対して、前記一方のガス通路に供給する空気の圧力を大気圧P(kPa)の2倍に加圧した場合には、前記分圧比一定の特性から、両ガス通路間の蒸気圧差ΔPは、ΔP=2W−Yとなる。
なお、2Wが飽和蒸気圧Z(kPa)を越えている場合にはΔP=Z−Yとなるが、それでも飽和蒸気圧Zは大気圧W以上であるので(Z≧W)、供給する空気の圧力が大気圧P(kPa)と等しい場合よりは大きな蒸気圧差ΔPを発生させることができる。
Now, it is assumed that air containing water vapor having a water vapor partial pressure W (kPa) under atmospheric pressure P (kPa) is supplied to the gas passage on one pole of the fuel cell (in this embodiment, the oxidant gas flow passage 6). If the water vapor partial pressure in the gas path of the other electrode (in this embodiment, the fuel gas flow path 5) is Y (kPa), the pressure of the air supplied to the one gas path is equal to the atmospheric pressure P (kPa). In this case, the vapor pressure difference ΔP (kPa) between the two electrodes (the
On the other hand, when the pressure of the air supplied to the one gas passage is increased to twice the atmospheric pressure P (kPa), the vapor pressure difference ΔP between the two gas passages due to the constant partial pressure ratio. Becomes ΔP = 2W−Y.
When 2W exceeds the saturated vapor pressure Z (kPa), ΔP = Z−Y. However, since the saturated vapor pressure Z is equal to or higher than the atmospheric pressure W (Z ≧ W), A larger vapor pressure difference ΔP can be generated than when the pressure is equal to the atmospheric pressure P (kPa).
したがって、第1の掃気において空気(掃気ガス)を発電停止前の空気圧力(酸化剤ガス圧力)よりも高圧にして供給することにより、両極間の蒸気圧差をより大きくすることができ、固体高分子電解質膜2内における水分の移動を促進することができる。
さらに、これに加えて供給する空気の温度を高くすることにより、飽和蒸気圧を上げることができるので、より大きな蒸気圧差ΔPを発生させることができ、固体高分子電解質膜2内の水分移動をさらに促進することができる。
その結果、掃気ガスとしての空気の流量を特別に増大させなくても、燃料ガス流通路5、酸化剤ガス流通路6、および固体高分子電解質膜2内の水分を効率よく迅速に排出することができ、掃気処理に要する時間を短縮することができる。
そして、発電停止時に燃料電池1内の水分を十分に除去することができるので、低温環境下でも良好な発電性能を維持することができる。
Therefore, by supplying air (scavenging gas) at a pressure higher than the air pressure (oxidant gas pressure) before power generation is stopped in the first scavenging, the vapor pressure difference between the two electrodes can be further increased. The movement of moisture in the
Furthermore, since the saturated vapor pressure can be increased by raising the temperature of the supplied air in addition to this, a larger vapor pressure difference ΔP can be generated, and the moisture movement in the solid
As a result, water in the fuel
And since the water | moisture content in the fuel cell 1 can fully be removed at the time of an electric power generation stop, favorable electric power generation performance can be maintained even in a low temperature environment.
この掃気処理は、イグニッションスイッチ(IGSW)31のOFF信号が電子制御ユニット(以下、ECUと略す)30に入力されたのを開始条件として、ECU30が、コンプレッサ7、流路切替弁13、圧力制御弁10、排出弁21、第1掃気弁23、第2掃気弁25を制御することにより実行される。
The scavenging process starts with the
この実施例における掃気処理について、図3のフローチャートに従って説明する。
図3に示すフローチャートは、掃気処理ルーチンを示すものであり、この掃気処理ルーチンは、ECU30によって一定時間毎に実行される
まず、ステップS101において、イグニッションスイッチがOFFされたか否か、換言すると発電停止か否かを判定する。ステップS101における判定結果が「NO」(IGSW:ON)である場合は本ルーチンの実行を終了する。
ステップS101における判定結果が「YES」(IGSW:OFF)である場合は、ステップS102に進み、まず酸化剤ガス流通路6に対する掃気、すなわち第1の掃気を行う。
第1の掃気では、ECU30は、コンプレッサ7を運転し、圧力制御弁10を開き、第1,第2掃気弁23,25を閉じ、さらに空気が冷却装置11を迂回してバイパス通路12を流れるように流路切替弁13を切り換える。つまり、コンプレッサ7で昇圧された空気を冷却装置11を迂回して流すことにより、酸化剤ガス流通路6に供給すべき空気の温度を燃料電池1の内部温度よりも高温にし、コンプレッサ7と圧力制御弁10を所定に制御することにより、発電時よりも高圧の空気を酸化剤ガス流通路6に流す。
The scavenging process in this embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
The flowchart shown in FIG. 3 shows a scavenging process routine, and this scavenging process routine is executed at regular intervals by the
When the determination result in step S101 is “YES” (IGSW: OFF), the process proceeds to step S102, and first scavenging of the oxidant
In the first scavenging, the
次に、ステップS103に進み、所定時間経過したか否かを判定する。ステップS103における判定結果が「NO」(所定時間未経過)である場合は、ステップS102に戻り、酸化剤ガス流通路6の掃気を継続する。
ステップS103における判定結果が「YES」(所定時間経過)である場合は、酸化剤ガス流通路6に対する掃気は完了と判断して、ステップS104に進み、燃料ガス流通路5に対する掃気、すなわち第2の掃気を行う。
第2の掃気では、ECU30は、コンプレッサ7の運転を継続し、圧力制御弁10と排出弁21と第1,第2掃気弁23,25をいずれも開くように制御する。なお、第2の掃気では、掃気ガスの温度に制約はなく、ステップS104における流路切替弁13に対する制御は、空気が冷却装置11に流れるように流路切替弁13を切り換え制御してもよいし、あるいは空気がバイパス通路12を流れるように流路切替弁13を切り換え制御してもよい。
これにより、この実施例における第2の掃気では、コンプレッサ7で昇圧された空気の一部が燃料ガス流通路5を流通して燃料ガス流通路5を掃気し、残りの空気が酸化剤ガス流通路6を流通する。
Next, it progresses to step S103 and it is determined whether predetermined time passed. If the determination result in step S103 is “NO” (predetermined time has not elapsed), the process returns to step S102, and scavenging of the oxidant
If the determination result in step S103 is “YES” (predetermined time has elapsed), it is determined that scavenging for the oxidant
In the second scavenging, the
Thereby, in the second scavenging in this embodiment, a part of the air pressurized by the compressor 7 flows through the fuel
次に、ステップS105に進み、所定時間経過したか否かを判定する。ステップS105における判定結果が「NO」(所定時間未経過)である場合は、ステップS104に戻り、燃料ガス流通路5の掃気を継続する。
ステップS105における判定結果が「YES」(所定時間経過)である場合は、燃料ガス流通路5に対する掃気は完了と判断して、ステップS106に進み、第1,第2掃気弁23,25を閉じてコンプレッサ7を停止することにより掃気を終了し、本ルーチンの実行を終了する。
Next, it progresses to step S105 and it is determined whether predetermined time passed. When the determination result in step S105 is “NO” (predetermined time has not elapsed), the process returns to step S104 and the scavenging of the fuel
If the determination result in step S105 is “YES” (predetermined time has elapsed), it is determined that scavenging of the fuel
なお、ステップS103における判定処理は、時間経過に基づく判定に代えて、酸化剤ガス流通路6の上流と下流との差圧に基づく判定にしてもよい。酸化剤ガス流通路6内の水が少なくなるにしたがって差圧が小さくなるので、所定の差圧を閾値にすることにより酸化剤ガス流通路6の掃気完了を判断することができるからである。ステップS105における判定処理についても同様であり、時間経過に基づく判定に代えて、燃料ガス流通路5の上流と下流との差圧に基づく判定にしてもよい。
Note that the determination process in step S103 may be based on the differential pressure between the upstream and downstream of the oxidant
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、第1の掃気において掃気ガス(空気)を酸化剤ガス流通路6に流通し、第2の掃気において掃気ガスを燃料ガス流通路5に流通したが、この順番を逆にして、第1の掃気において掃気ガスを燃料ガス流通路5に流通し、第2の掃気において掃気ガスを酸化剤ガス流通路6に流通させてもよい。
[Other Examples]
The present invention is not limited to the embodiment described above.
For example, in the above-described embodiment, scavenging gas (air) is circulated through the oxidant
1 燃料電池
5 燃料ガス流通路
6 酸化剤ガス流通路
1
Claims (2)
前記燃料ガス流通路と前記酸化剤ガス流通路のいずれか一方のガス流通路に前記燃料電池の発電停止前に供給していたガスの圧力よりも高圧の掃気ガスを流通して該一方のガス流通路を掃気する第1の掃気を行った後、他方のガス流通路に掃気ガスを流通して該他方のガス流通路を掃気する第2の掃気を行うことを特徴とする燃料電池の掃気方法。 A scavenging method for a fuel cell in which scavenging gas is circulated through the fuel gas flow passage and the oxidant gas flow passage of the fuel cell when power generation of the fuel cell is stopped.
One of the fuel gas flow passage and the oxidant gas flow passage is circulated through a scavenging gas whose pressure is higher than the pressure of the gas supplied before stopping the power generation of the fuel cell. A scavenging of a fuel cell, wherein after the first scavenging is performed to scavenge the flow passage, the second scavenging is performed by flowing the scavenging gas through the other gas flow passage and scavenging the other gas flow passage. Method.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20090512 |